5Gとは何か?次世代通信を実現する5つの核心技術をわかりやすく解説

HD映画を数秒でダウンロードできたり、外科医の指導のもとネットワーク接続されたロボットが手術を行ったり――そんな未来を想像してみてください。ワクワクしませんか?まもなく到来する5G技術は、VR(仮想現実)、自動運転、IoT、スマートシティといった革新の基盤となり、瞬時のコミュニケーション、安全な交通、正確な手術を実現します。従来の無線通信世代と比較して、5Gはスマートフォンやその他の電子機器に、より高速な通信と多彩な機能をもたらします。

無線技術の歴史は実に興味深いものです。1Gは最初の携帯電話を、2Gは初めてのテキストメッセージを、3Gはインターネットへの常時接続を、そして最新の4Gは私たちが今日享受している快適な高速通信を実現しました。しかし、オンラインに接続するユーザーが増え続けるにつれ、4Gネットワークは混雑が深刻化し、処理能力の限界に達しつつあります。その結果として、通信速度の低下やサービス障害が発生しているのです。

スマートフォンや各種デバイスにおけるデータ需要の急拡大は、無線技術分野における次の革命である5Gへと私たちを導いています。5Gは現在のネットワークよりも桁違いに多くの送受信トラフィックを処理でき、4G LTEの10倍の速度が期待されています。ただし、この無線技術はまだ発展途上であり、現時点では以下の5つの全新技術を基盤として構築されています。

1. ミリ波(Millimeter Waves)

まず理解しておきたいのは、スマートフォンなどの電子機器が使用する電波は、無線周波数スペクトルの中でも特定の帯域(通常は3kHz〜6GHz)に限定されているという点です。しかし、接続デバイスが増えるにつれてこれらの周波数は飽和状態に近づき、近い将来、通信速度の低下や接続不良がさらに頻発する恐れがあります。

この問題に対する唯一の解決策は、新たなデバイスのために無線スペクトルの未開拓領域を切り開くことです。そこで科学者たちは、30GHz〜300GHzの間に位置する「ミリ波」の活用を研究しています。ただし、ここには大きな落とし穴があります。ミリ波は長距離を伝搬できず、障害物も通過できません。雲に吸収されたり、壁に遮られたりしてしまうのです。この課題を克服するために登場したのが、次に紹介する「スモールセル」です。

2. スモールセル(Small Cell)

現在の無線ネットワークは、高出力の巨大な基地局が広範囲に向けて信号を送信する仕組みです。しかし問題があります。高周波のミリ波は、こうした高い塔からの伝播では障害物を迂回できないのです。つまり、建物などの陰にいると接続が途切れてしまいます。

スモールセルネットワークはこの問題を解決します。その仕組みは、低出力の小型基地局を数千個単位で設置し、従来の塔よりもはるかに高い密度で配置するというものです。これにより、リレー走のバトンチームのように相互に連携する高密度ネットワークが形成され、各基地局が他の局から信号を受け取り、あらゆる場所のユーザーへデータを届けられるようになります。

3. マッシブMIMO(Massive MIMO)

MIMOは「Multiple Input Multiple Output(多入力多出力)」の略称です。4G基地局にはアンテナ用のポートが十数個搭載されており、すべてのセルラー通信を処理しています。一方、マッシブMIMO基地局は数千のポートをサポート可能で、ネットワーク全体の容量を飛躍的に向上させます。

しかしこれには新たな課題も伴います。大量のアンテナを設置して通信を処理すると、信号同士が交差する際に干渉が増えてしまうのです。だからこそ、5G基地局には次の「ビームフォーミング」技術が不可欠となります。

4. ビームフォーミング(Beamforming)

この技術は、セルラー信号のための「交通整理システム」のようなものです。全方向へ一斉に電波を放つのではなく、ビームフォーミングにより基地局は特定のユーザーへ向けて絞り込んだデータビームを送信できます。これにより干渉が効果的に防止され、基地局はより多くの送受信データストリームを同時に捌けるため、効率が大幅に向上します。

具体例を挙げましょう。建物が密集したエリアで通話しようとすると、あなたの信号は同じエリアの他ユーザーの信号と交錯し、近隣の建物に反射・衝突する可能性があります。マッシブMIMO基地局はそのエリア内のすべての信号を受信し、それぞれの到達タイミングと方向を精密に追跡することで、一度にはるかに多くの情報をやり取りできるのです。

5. 全二重通信(Full Duplex)

トランシーバーを使ったことがある方なら、会話するには「話す」と「聞く」を交互に行う必要があることをご存じでしょう。これは少々不便ですよね。実は現在のセルラー基地局もまったく同じ仕組みで、送信か受信のどちらか一方しか行えません。

5Gでは、トランシーバーが同一周波数上で同時にデータの送受信を行えるようになります。研究者たちは現在、入出力の信号を適切に振り分け、一本のアンテナが同時に送受信できる特殊な回路を設計しています。

この一連の技術開発は複雑で、コストも時間もかかりますが、5Gネットワークは2020年の商用開始に向けて準備が進められていました。ここで紹介したのは、5G無線ネットワークの実現を支える主要技術の一部です。この今後の技術についてどうお考えですか?記事が参考になりましたら、ぜひ下のコメント欄でお知らせください。